Фильтр тока обратной последовательности на герконах Российский патент 2023 года по МПК H02H3/38 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано для защиты электроустановок от двухфазных коротких замыканий.

Известен фильтр тока обратной последовательности [Н.В. Чернобровов. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - С. 800], содержащий трехобмоточный трансреактор, первичные обмотки которого подключены к трансформаторам тока фаз А и С, активное сопротивление и двухобмоточный трансформатор, подключенные параллельно вторичной обмотке трансреактора.

Недостатком этого фильтра являются невозможность работы без трансформаторов тока, плохой информационный порог чувствительности, характеризующий уровень помех на выходе, и инерционность, обусловленную большой мощностью, потребляемой трансреактором от измерительных трансформаторов тока.

Известен фильтр тока нулевой последовательности [KZ 20853 МПК H02H 3/38, опубл. 16.02.2009], содержащий первый и второй герконы, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему, входами подключенную к выходам первого усилителя, а выходами, через первый регулировочный резистор - к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой и второй обмотками закреплены на пересечении горизонтальной и первой вертикальной плоскостей N₁ так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h=1,155d, и (в вертикальной плоскости), а второго - с точкой с координатами h=1,155d, , , где h - расстояние в вертикальной плоскости N₁ от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до плоскости F, в которой расположены токопроводы, γ₁ (γ₂) - угол между первой горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, х₁ (х₂) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до первой вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d - расстояние между проводниками соседних фаз.

Недостатками этого фильтра являются невозможность выявления трехфазных коротких замыканий и токов перегрузки, а также неисправностей его элементов в промежутках между плановыми проверками.

Технический результат - расширение функциональных возможностей фильтра токов обратной последовательности на герконах и выявление неисправностей обмоток управления.

Технический результат достигается тем, что фильтр тока обратной последовательности так же, как и в прототипе, содержит первый и второй герконы, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему, входами подключенную к выходам первого усилителя, а выходами, через первый регулировочный резистор - к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой и второй обмотками закреплены на пересечении горизонтальной и первой вертикальной плоскостей N₁ так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h=1,155d, и (в вертикальной плоскости), а второго - с точкой с координатами h=1,155d, , , где h - расстояние в вертикальной плоскости N₁ от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до плоскости F, в которой расположены токопроводы, γ₁ (γ₂) - угол между первой горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, х₁ (х₂) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до первой вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d - расстояние между проводниками соседних фаз.

Согласно изобретению третий и четвертый герконы расположены в той же горизонтальной плоскости, что и первый и второй герконы, на ее пересечении с второй вертикальной плоскостью N₂, находящейся от первой на расстоянии l. Третий и четвертый герконы закреплены под углами γ₃ и γ₄ к второй горизонтальной прямой, проходящей через их центры тяжести, и на расстояниях х₃ и х₄ от второй вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А и пересекающей вторую горизонтальную линию, причем х₃=х₁, х₄=х₂ и γ₃=γ₁, γ₄=γ₂. Контакты первого и четвертого герконов подключены к входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к прямому входу элемента И с одним инверсным входом. Логическая часть подключена к выходу элемента И с одним инверсным входом, а выходом к исполнительному органу. Третья и четвертая обмотки намотаны на третий и четвертый герконы, соответственно. Второй усилитель подключен к третьей обмотке. Вторая фазоповоротная схема входами подключена к выходам второго усилителя, а выходами, через второй регулировочный резистор - к четвертой обмотке. Блок сравнения входами подключен к выводам первой и четвертой обмоток, а выходом к блоку сигнализации и инверсному входу элемента И с одним инверсным входом.

Использование дополнительных герконов с обмотками, усилителя, фазоповоротной схемы и резистора, а также блоков сравнения и сигнализации и элементов ИЛИ, И с одним инверсным входом, и их соответствующее подключение позволяют выполнить функциональную диагностику фильтра, выявляя неисправности в элементах.

На фигуре 1 представлена структурная схема фильтра токов обратной последовательности.

Фильтр тока обратной последовательности содержит герконы 1, 2, 3 и 4 с обмотками 5, 6, 7 и 8, соответственно. Усилитель 9 (У1) (10 (У2)) входами подключен к обмотке 6 (7) геркона 2 (3), а выходами - к входам фазоповоротной схемы 11 (Ф1) (12 (Ф2)), которая выходами, через регулировочный резистор 13 (14), подключена к обмотке 5 (8) геркона 1 (4). Элемент ИЛИ 15 (ИЛИ) подключен к контактам герконов 1 и 4. Элемент И 16 (И) с одним инверсным входом подключен прямым входом к элементу ИЛИ 15 (ИЛИ), а выходом к логической части 17 (ЛЧ). Схема сравнения 18 (СС) входами подключена к выводам обмоток 5 и 8, а выходом - к блоку сигнализации 19 (БС) и инверсному входу элемента И 16 (И). Исполнительный орган 20 (ИО) подключен к логической части 17.

В качестве герконов 1-4 с обмотками 5-8 управления могут быть использованы, например, герконовые реле типа РГК-54. В качестве усилителей 9 (У1) и 10 (У2) могут быть использованы усилители типа К14УД6. Фазоповоротные схемы 11 (Ф1) и 12 (Ф2) могут быть выполнены, например, на конденсаторах типа К 50-12 и резисторах МОН-0,5. В качестве резисторов 13 и 14 могут быть использованы резисторы типа МОН-0,5. Элементы ИЛИ 15 (ИЛИ), И 16 (И) с одним инверсным входом, логическая часть 17 (ЛЧ) и схема сравнения 18 (СС) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53. В качестве блока сигнализации 19 (БС) и исполнительного органа 20 (ИО) могут быть использованы лампа типа L16RR-E05 и промежуточное реле типа RT424005.

Герконы располагаются (фиг. 1) в магнитном поле токопроводов 21, 22, 23 фаз А, В, С, соответственно. Для того, чтобы геркон 1 реагировал только на токи обратной последовательности, как известно из прототипа, вдоль его продольной оси должна действовать индукция В_пр, созданная токами в фазах 21, 22, 23:

где - расстояние от оси фазы А до центра тяжести геркона 1; - угол между продольной осью геркона 1 и индукцией магнитного поля, действующего на него; , и - вектора токов в фазах 21, 22, 23; μ₀ - магнитная постоянная.

Как показали расчеты, приведенные в [KZ 20853 МПК H02H 3/38, опубл. 16.02.2009], для выполнения равенства (1) геркон 1 должен быть установлен в плоскости N₁ в точке с координатами: h=1,155d, и (в вертикальной плоскости), геркон 2 - в этой же плоскости в точке с координатами h=1,155d, , (где h - расстояние в вертикальной плоскости N₁ от горизонтальной линии 24, проходящей через центры тяжести герконов 1 и 2, до плоскости F, расположения токопроводов 21, 22, 23, γ₁ и γ₂ - углы в плоскости N₁ между линией 24 и продольной осью герконов 1 и 2, х₁ и х₂ - расстояние от центров тяжестей герконов 1 и 2 до вертикальной линии 26, проходящей через центр токопровода фазы А перпендикулярно линии 24, d - расстояние между проводниками соседних фаз) и соответствующим образом должны быть выбраны коэффициент К_у усиления усилителя 9 (У1), угол β фазоповоротной схемы 11 (Ф1) и резистор 13.

Аналогично обеспечивается воздействие магнитных полей, созданных токами обратной последовательности, на геркон 4, но в (1) отсутствует множитель , и первое слагаемое в скобках умножается на . Герконы 3 и 4 устанавливаются в плоскости N₂ в точках с координатами h₂=h₁, х₃=0, х₄=2d, γ₃=γ₁, γ₄=γ₂, коэффициент усиления усилителя 10 (У2) равен К_у, угол фазоповоротной схемы 12 (Ф2) рассчитывается аналогично углу β.

Фильтр работает следующим образом. В нормальном режиме работы электроустановки токи обратной последовательности отсутствуют. Однако из-за неточности установки герконов 1 и 2 в заданные точки и допустимой несимметрии системы трехфазных токов вдоль продольной оси геркона 1 действует индукция В_нб небаланса. Для несрабатывания геркона 1 в нормальном режиме, его индукция срабатывания выбирается большей В_нб, то есть

где k_отс - коэффициент отстройки, k_отс=1,2.

При коротком замыкании на землю по токопроводам электроустановки протекают токи нулевой последовательности. При этом геркон 1 (4) не срабатывает, так как токи нулевой последовательности в фазах электроустановки равны (), и из (1) индукция равна нулю.

При междуфазных коротких замыканиях по токопроводам электроустановки протекают токи обратной последовательности. При этом оказывается меньше индукции воздействующего на него магнитного поля, созданного токами обратной последовательности. В этом можно убедиться, если в (1) подставить систему токов обратной последовательности , , . Индукция в (1) при этом станет равной . Геркон 1 сработает, замыкая контакты, и подаст сигнал через элемент ИЛИ 15 (ИЛИ) и И 16 (И) в логическую часть 17 (ЛЧ).

При этих же замыканиях по токопроводам также протекают токи и прямой последовательности. Но при этом магнитное поле, созданное токами прямой последовательности, не будет действовать на геркон 1. В этом можно также убедиться, подставив в (1) систему токов прямой последовательности , , . Индукция в (1) при этом станет равной нулю. Поэтому геркон 1, выполняющий функции реагирующего элемента фильтра не срабатывает.

Токовая защита функционирует следующим образом. В режиме нагрузки и самозапуска электродвигателей геркон 2 не замыкает контакты, так как его индукция срабатывания В_ср отстроена от максимальной индукции, созданной токами нагрузки и самозапуска, протекающими в токопроводах 21, 22, 23. Геркон 3, используемый для защиты от перегрузки, при самозапуске срабатывает, но логическая чась 17 (ЛЧ) сигнала не выдает, так как выдержка времени предлагаемой защиты, как и в традиционных, больше времени пуска и самозапуска. При трехфазных коротких замыканиях индукции магнитных полей, действующих на герконы 2 и 3, возрастают и становятся больше В_ср. Поэтому герконы 2 и 3 срабатывают и подают сигналы в логическую часть 17 (ЛЧ) защиты. В результате выключатель электроустановки отключается.

Самодиагностика предлагаемого измерительного органа выполняется следующим образом. Во всех режимах его работы на входы схемы сравнения 18 (СС) поступают ЭДС, подаваемые на обмотки 5 и 8, с абсолютными значениями Е₅ и Е₈. При этом из-за неточности установки герконов 1-4 и несимметрии токов Е₅≠Е₈. Чтобы схема сравнения 18 (СС) не выдавала сигналов при отсутствии повреждений в цепях обмоток 5 и 8, параметр ее срабатывания Е_ср должен быть отстроен от наибольшей разности этих ЭДС

При возникновении каких-либо повреждений в цепях обмоток 5 и 8, разность становится больше Е_ср. Схема сравнения 18 (СС) срабатывает и выдает сигнал в блок сигнализации 19 (БС) и на инверсный вход элемента И 16 (И), блокируя работу фильтра.

Использование: в области электроэнергетики для защиты электроустановок от междуфазных коротких замыканий. Технический результат - расширение функциональных возможностей фильтра токов обратной последовательности на герконах за счет выявления неисправностей обмоток управления. Фильтр тока обратной последовательности содержит первый и второй герконы, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, первую фазоповоротную схему. Согласно изобретению в фильтр введены третий и четвертый герконы. Контакты первого и четвертого герконов подключены к входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к прямому входу элемента И с одним инверсным входом, логическая часть подключена к выходу элемента И с одним инверсным входом, а выходом к исполнительному органу. Третья и четвертая обмотки намотаны на третий и четвертый герконы, соответственно, а второй усилитель подключен к третьей обмотке, вторая фазоповоротная схема входами подключена к выходам второго усилителя, а выходами, через второй регулировочный резистор - к четвертой обмотке. Блок сравнения входами подключен к выводам первой и четвертой обмоток, а выходом к блоку сигнализации и инверсному входу элемента И с одним инверсным входом. 1 ил.

Фильтр тока обратной последовательности, содержащий первый и второй герконы, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему, входами подключенную к выходам первого усилителя, а выходами, через первый регулировочный резистор – к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой и второй обмотками закреплены на пересечении горизонтальной и первой вертикальной плоскостей N₁ так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h=1,155d, и в вертикальной плоскости, а второго – с точкой с координатами h=1,155d, , , где h – расстояние в вертикальной плоскости N₁ от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до плоскости F, в которой расположены токопроводы, γ₁ (γ₂) – угол между первой горизонтальной линией и продольной осью первого/второго геркона, х₁ (х₂) – расстояние от центра тяжести первого/второго геркона до первой вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d – расстояние между проводниками соседних фаз, отличающийся тем, что третий и четвертый герконы расположены в той же горизонтальной плоскости на ее пересечении с второй вертикальной плоскостью N₂, находящейся от первой на расстоянии l, третий и четвертый герконы закреплены под углами γ₃ и γ₄ к второй горизонтальной прямой, проходящей через их центры тяжести, и на расстояниях х₃ и х₄ от второй вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А и пересекающей вторую горизонтальную линию, причем х₃=х₁, х₄=х₂ и γ₃=γ₁, γ₄=γ₂, контакты первого и четвертого герконов подключены к входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к прямому входу элемента И с одним инверсным входом, логическая часть подключена к выходу элемента И с одним инверсным входом, а выходом к исполнительному органу, третья и четвертая обмотки намотаны на третий и четвертый герконы, соответственно, второй усилитель подключен к третьей обмотке, вторая фазоповоротная схема входами подключена к выходам второго усилителя, а выходами, через второй регулировочный резистор – к четвертой обмотке, блок сравнения входами подключен к выводам первой и четвертой обмоток, а выходом к блоку сигнализации и инверсному входу элемента И с одним инверсным входом.